TWI640648B - 以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法 - Google Patents

以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其包括：置入一矽基板於一反應腔體中；調整該反應腔體的溫度為一第一腔體溫度，並在該第一腔體溫度下成長一具有一第一厚度的第一磷化鎵層於該矽基板上；調整該反應腔體的溫度為一第二腔體溫度，並在該第二腔體溫度下成長一具有一第二厚度的第二磷化鎵層於該第一磷化鎵層上；調整該反應腔體的溫度為一第三腔體溫度，並維持於該第三腔體溫度一第一段時間，接著再調整該反應腔體的溫度為一第四腔體溫度，並維持於該第四腔體溫度一第二段時間；以及成長一多層結構的磷化銦鎵層於該第二磷化鎵層上。

Description

以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法
本發明係關於磷化銦鎵磊晶層的製作方法，特別是一種以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法。
由於以矽晶圓為基礎所發展的半導體元件製造技術發展趨於成熟，如何於矽晶圓或矽基板上成長高品質的三五族半導體磊晶層，已成為發光元件或太陽能元件的重要發展目標。這些三五族半導體材料通常是以磊晶技術成長矽晶圓上，而形成所謂磊晶晶圓(epitaxial wafer或epi-wafer)。
然而，三五族半導體磊晶層與矽晶圓的組成材料不同，兩者之間的晶格排列和熱膨脹係數等差異或不匹配將導致所形成磊晶晶圓的諸多缺陷，例如，磊晶差排(Dislocation)、反相晶區(Anti-phase domain)、裂痕(Crack)等，這些缺陷必然限制著三五族半導體材料與矽晶圓技術的整合及發展。雖已有習知技術嘗試解決此問題，但成效有限；因此，有必要發展新的磊晶技術，以改善上述的問題。
為達成上述之目的，根據本發明的一方面，一實施例提供一 種以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其包括：(A)置入一矽基板於一反應腔體中；(B)調整該反應腔體的溫度為一第一腔體溫度，並在該第一腔體溫度下成長一具有一第一厚度的第一磷化鎵(GaP)層於該矽基板上；(C)調整該反應腔體的溫度為一第二腔體溫度，並在該第二腔體溫度下成長一具有一第二厚度的第二磷化鎵層於該第一磷化鎵層上，其中該第二腔體溫度高過該第一腔體溫度至少200℃，且該第二厚度為該第一厚度的80~180倍；(D)調整該反應腔體的溫度為一第三腔體溫度，並維持於該第三腔體溫度一第一段時間，接著再調整該反應腔體的溫度為一第四腔體溫度，並維持於該第四腔體溫度一第二段時間，其中該第四腔體溫度高過該第二腔體溫度，該第三腔體溫度至少為該第四腔體溫度的二分之一，且該第二段時間為該第一段時間的至少8倍；以及(E)成長一多層結構的磷化銦鎵層於該第二磷化鎵層上。
在一實施例中，該第一腔體溫度為420~450℃，且步驟(B)包括：通入含磷氣體及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為30~50，並調整該反應腔體的壓力為40~60毫巴。
在一實施例中，該第二腔體溫度為650~680℃，步驟(C)包括下列步驟：通入含磷氣體及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為10~30，並調整該反應腔體的壓力為40~60毫巴。
在一實施例中，該步驟(D)重複2~4次。
在一實施例中，該第三腔體溫度為390~420℃，該第一段時間為25~35秒，該第四腔體溫度為780~840℃，該第二段時間為5~10分，且該反應腔體的溫度由該第三腔體溫度調整至該第四腔體溫度的升溫速度為0.8~1.2℃/秒。
在一實施例中，該步驟(E)包括下列步驟：(E1)調整該反應腔體的溫度為一第五腔體溫度，並通入含磷氣體、含銦氣體、及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對銦與鎵元素的比例為一第一比例，藉以成長一步階層；及(E2)逐漸提高該反應腔體的溫度由該第五腔體溫度至一第六腔體溫度，同時逐漸降低通入氣體中磷元素對銦與鎵元素的比例由該第一比例至一第二比例，藉以成長一線性層。
在一實施例中，該步驟(E1)及(E2)重複4~6次，藉以形成具有複數個步階層與複數個線性層交錯堆疊的磷化銦鎵層；其中，前次的第六腔體溫度係作為後序的第五腔體溫度，且前次的第二比例係作為後序的第一比例。
在一實施例中，該第五腔體溫度為610~640℃，該第一比例為64~68，該反應腔體的壓力為50毫巴。
100‧‧‧磊晶晶圓
110‧‧‧矽基板
120‧‧‧磷化鎵層
121‧‧‧第一磷化鎵層
122‧‧‧第二磷化鎵層
130‧‧‧磷化銦鎵層
131、133、135、137‧‧‧步階層
132、134、136、138‧‧‧線性層
140‧‧‧緩衝層
210、220、230、240、250‧‧‧步驟
251、252、253、254、255、256、257、258‧‧‧步驟
第1圖為根據本發明實施例之磊晶晶圓的結構示意圖。
第2圖為根據本實施例磊晶晶圓的成長溫度曲線示意圖。
第3圖為根據本實施例磷化銦鎵層的成長溫度曲線示意圖。
為對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。
在各個實施例的說明中，當一元素被描述是在另一元素之「上方/上」或「下方/下」，係指直接地或間接地在該另一元素之上或之下的情況，其可能包含設置於其間的其他元素；所謂的「直接地」係指其間並未設置其他中介元素。「上方/上」或「下方/下」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他可能的方向轉變。所謂的「第一」、「第二」、及「第三」係用以描述不同的元素，這些元素並不因為此類謂辭而受到限制。為了說明上的便利和明確，圖式中各元素的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元素的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
第1圖為根據本發明實施例之磊晶晶圓100的結構示意圖，該磊晶晶圓100包含一矽(Si)基板110、一磷化鎵(GaP)層120、一磷化銦鎵(InGaP)層130、及一緩衝層140。該矽基板110為該磊晶晶圓100的承載體，承載該磊晶晶圓100製作流程的進行。該磷化銦鎵層130為該磊晶晶圓100主要進行磊晶的磊晶層，而由於矽與磷化銦鎵之間的晶格排列和熱膨脹係數等差異，將導致所形成磊晶晶圓的諸多缺陷，例如，差排、反相晶區、裂痕等，因此有該磷化鎵層120形成於該矽基板110與該磷化銦鎵層130之間，作為二者緩衝之用。本實施例將以兩階段成長該磷化鎵層120，其包含以低溫成長的第一磷化鎵層121及以高溫成長的第二磷化鎵層122，使得本實施例所製作的磷化鎵層120與矽基板110之間的晶格不匹配在常溫下僅為約0.36%。該緩衝層140的組成亦為磷化銦鎵，其為厚度約1~2μm，位於該磊晶晶圓100最表層的平整緩衝層，使得該磊晶晶圓100可作為後續薄膜成長的模板 (Template)，因此又稱為「虛擬基板」，可應用於太陽電池元件的製作。
本發明主要係以有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)為基礎，提出上述實施例之磊晶晶圓100的製作方法。由於製程溫度為各磊晶層成長時最關鍵的因素之一，因此該磷化鎵層120、該磷化銦鎵層130及該緩衝層140的成長溫度曲線示意繪製於第2圖。
首先為步驟210，將清洗後的矽基板110置入水平式有機金屬化學氣相沉積系統的反應腔體中。通入氫(H2)氣於該反應腔體中，並該反應腔體的壓力升高至50毫巴(mbar)時，使該反應腔體的溫度升高至350℃。當該反應腔體的溫度達350℃時，通入砷化氫(AsH3)氣於該反應腔體中，使得該矽基板110的表面產生預成核(Pre-nucleation)效應，而能於其表面建構一維(Single domain)的砷終端化(As-terminated)狀態。接著將該反應腔體的溫度升高至850℃，同時將該反應腔體的壓力提高至200mbar，並在氫(H2)與砷化氫(AsH3)的混合氣之下烘烤15分鐘，以去除矽基板110表面的原生氧化層。
接著為步驟220，將該反應腔體的溫度降低至第一腔體溫度，並在此溫度下通入含磷(P)氣體及含鎵(Ga)氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為30~50，並調整該反應腔體的壓力為40~60mbar，藉以成長厚度約15~25nm的第一磷化鎵層121於該矽基板110上，以作為成長磷化鎵的成核層，其呈現二維島狀的狀態。較佳者，本步驟的腔體溫度為420~450℃，腔體壓力為50mbar，且通入氣體中磷元素對鎵元素的比例為40。在該第一磷化鎵層121成長之後，再將該反應腔體的溫度升高至800~850℃並維持5~10分鐘，以進行該第一磷化鎵層121的再結晶(Re-crystallization)。
接著為步驟230，將該反應腔體的溫度降低至第二腔體溫度，並在此溫度下繼續通入含磷氣體及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為10~30，並調整該反應腔體的壓力為40~60mbar，藉以成長厚度約2000~2500nm的第二磷化鎵層122於該第一磷化鎵層121上，以作為成長磷化銦鎵的緩衝層，且該第一磷化鎵層121與該第二磷化鎵層122組成如第1圖所示的磷化鎵層120；其中，該第二腔體溫度高過該第一腔體溫度至少200℃，且該第二磷化鎵層122厚度為該第一磷化鎵層121厚度的80~180倍。較佳者，本步驟的腔體溫度為650~680℃，腔體壓力為50mbar，且通入氣體中磷元素對鎵元素的比例為50。
為了抑制磷化鎵層120與矽基板110之間因熱膨脹係數差異所致的熱應力，使得磷化鎵晶體可獲得重新排列而達到較佳品質並減緩降溫(cooling)過程所產生的薄膜裂痕，接著的步驟240將進行熱循環退火(Thermal cycle annealing)。首先，將該反應腔體的溫度降低至第三腔體溫度(例如，390~420℃)，並維持於上述溫度一第一段時間(例如，25~35秒)；接著再將該反應腔體的溫度提高至第四腔體溫度(例如，780~840℃)，並維持於上述溫度一第二段時間(例如，5~10分)；其中，該第四腔體溫度高過該第二腔體溫度，該第三腔體溫度至少為該第四腔體溫度的二分之一，該第二段時間為該第一段時間的至少8倍，且該反應腔體的溫度由該第三腔體溫度調整至該第四腔體溫度的升溫速度為0.8~1.2℃/秒。較佳者，本步驟先將該反應腔體的溫度降至400℃~420℃並維持約30秒，隨即再以每秒約1℃的升溫速度與每分約15~20mbar的升壓速度，將該反應腔體的溫度升至800℃，壓力升至200mbar並維持約5分鐘。本步驟主要係進行退火，可重複進行2~4次，因此稱為熱循環退火，可有效改善磷化銦鎵層的薄膜品質。
接著為成長磷化銦鎵層130於該磷化鎵層120上的步驟250，本實施例將採用步階層131、133、135、137與線性層132、134、136、138交錯堆疊的磷化銦鎵磊晶技術，並說明如下。首先，將該反應腔體的溫度調整為第五腔體溫度，並通入含磷氣體、含銦氣體、及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對銦與鎵元素的比例為一第一比例，藉以成長一步階層；接著，逐漸提高該反應腔體的溫度由該第五腔體溫度至一第六腔體溫度，同時逐漸降低通入氣體中磷元素對銦與鎵元素的比例由該第一比例至一第二比例，藉以成長一線性層。亦即，上述的步階層係於腔體溫度及五三比例(V/III ratio)皆固定的條件下所成長的磷化銦鎵層，而上述的線性層係於腔體溫度及五三比例(V/III ratio，此處為所通入氣體之磷元素對銦與鎵元素的比例)皆同時線性漸變的條件下所成長的磷化銦鎵層。上述步驟可重複進行4~6次，藉以形成具有複數個步階層與複數個線性層交錯堆疊的磷化銦鎵層130；其中，前次的第六腔體溫度係作為後序的第五腔體溫度，且前次的第二比例係作為後序的第一比例。
以第1圖的磷化銦鎵層130為例，該第五腔體溫度可設定為610~640℃，該第一比例可設定為64~68，且該反應腔體的壓力為50毫巴，其中各步驟的成長溫度曲線示意繪製於第3圖。首先為步驟251，將腔體溫度調整為610℃，通入氣體之五三比例為66.4，經過200秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為步階層131。接著為步驟252，逐漸提高該反應腔體的溫度由610℃至620℃，同時逐漸降低通入氣體之五三比例由66.4至65.8，經過30秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為線性層132。接著為步驟253，將腔體溫度調整為620℃，通入氣體之五三比例為65.8，經過205秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為步階層133。接著 為步驟254，逐漸提高該反應腔體的溫度由620℃至630℃，同時逐漸降低通入氣體之五三比例由65.8至65.5，經過30秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為線性層134。接著為步驟255，將腔體溫度調整為630℃，通入氣體之五三比例為65.5，經過200秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為步階層135。接著為步驟256，逐漸提高該反應腔體的溫度由630℃至640℃，同時逐漸降低通入氣體之五三比例由65.5至65.3，經過30秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為線性層136。接著為步驟257，將腔體溫度調整為640℃，通入氣體之五三比例為65.3，經過205秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為步階層137。接著為步驟258，逐漸提高該反應腔體的溫度由640℃至650℃，同時逐漸降低通入氣體之五三比例由65.3至65.1，經過30秒的反應時間後，所成長的磷化銦鎵層為線性層138。其中，各線性層132、134、136、138的成長溫度及升溫過程可依銦元素的組成比例加以適當調整，使得各層之間的應力達到較佳的配置。
最後，可以約640℃的成長溫度及約2.2μm/時(hour)的成長速率成長厚度約1~2μm的磷化銦鎵緩衝層140，作為該磊晶晶圓100最表層的平整緩衝層，使得該磊晶晶圓100可作為後續薄膜成長的模板(Template)，因此又稱為「虛擬基板」，可應用於太陽電池元件的製作。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

Claims (10)

  1. 一種以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵(InGaP)磊晶層的方法，包括下列步驟：(A)置入一矽基板於一反應腔體中；(B)調整該反應腔體的溫度為一第一腔體溫度，並在該第一腔體溫度下成長一具有一第一厚度的第一磷化鎵(GaP)層於該矽基板上；(C)調整該反應腔體的溫度為一第二腔體溫度，並在該第二腔體溫度下成長一具有一第二厚度的第二磷化鎵層於該第一磷化鎵層上，其中該第二腔體溫度高過該第一腔體溫度至少200℃，且該第二厚度為該第一厚度的80~180倍；(D)調整該反應腔體的溫度為一第三腔體溫度，並維持於該第三腔體溫度一第一段時間，接著再調整該反應腔體的溫度為一第四腔體溫度，並維持於該第四腔體溫度一第二段時間，其中該第四腔體溫度高過該第二腔體溫度，該第三腔體溫度至少為該第四腔體溫度的二分之一，且該第二段時間為該第一段時間的至少8倍；以及(E)成長一多層結構的磷化銦鎵層於該第二磷化鎵層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，該第一腔體溫度為420~450℃，且步驟(B)包括下列步驟：通入含磷(P)氣體及含鎵(Ga)氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為10~30，並調整該反應腔體的壓力為40~60毫巴(mbar)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，該第二腔體溫度為650~680℃，步驟(C)包括下列步驟：通入含磷氣體及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對鎵元素的比例為30~50，並調整該反應腔體的壓力為40~60毫巴。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，步驟(D)重複2~4次。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，該第三腔體溫度為390~420℃，該第一段時間為25~35秒，該第四腔體溫度為780~840℃，該第二段時間為5~10分，且該反應腔體的溫度由該第三腔體溫度調整至該第四腔體溫度的升溫速度為0.8~1.2℃/秒。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，步驟(E)包括下列步驟：(E1)調整該反應腔體的溫度為一第五腔體溫度，並通入含磷氣體、含銦氣體、及含鎵氣體於該反應腔體中，其中磷元素對銦與鎵元素的比例為一第一比例，藉以成長一步階層；及(E2)逐漸提高該反應腔體的溫度由該第五腔體溫度至一第六腔體溫度，同時逐漸降低通入氣體中磷元素對銦與鎵元素的比例由該第一比例至一第二比例，藉以成長一線性層。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，步驟(E1)及(E2)重複4~6次，藉以形成具有複數個步階層與複數個線性層交錯堆疊的磷化銦鎵層；其中，前次的第六腔體溫度係作為後序的第五腔體溫度，且前次的第二比例係作為後序的第一比例。
  8. 如申請專利範圍第6或7項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，該第五腔體溫度為610~640℃。
  9. 如申請專利範圍第6或7項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中，該第一比例為64~68。
  10. 如申請專利範圍第6或7項所述之以有機金屬化學氣相沉積法製作磷化銦鎵磊晶層的方法，其中的步驟(E)中，該反應腔體的壓力為50毫巴。
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